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Introdução a Materiais Cerâmicos – PPGEM - UFRGS

INTRODUÇÃO AOS

MATERIAIS CERÂMICOS

PPGEM - EE - UFRGS

CAPÍTULO 3 -

PROPRIEDADES E

ESTRUTURA


3.1 INTRODUÇÃO

3.2 PROPRIEDADES MECÂNICAS

3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS

3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA


3.3.1 Porosidade

3.3.2 Densidade

3.3.3 Permeabilidade dos gases

3.3.4 Capacidade Térmica

3.3.5 Expansão térmica

3.3.6 Condutividade térmica

3.3.7 Mecanismos de condução e bandas de energia

3.3.8 Condutividade elétrica dos materiais iônicos

3.3.9 Condutividade elétrica dos materiais covalentes

3.3.10 Semicondutores – condutividade eletrônica

3.3.11 Supercondutividade elétrtica

3.3.12 Comportamento dielétrico

3.3.13 Diamagnetismo

3.3.14 Paramagnetismo

3.3.15 Ferrimagnetismo

3.3.16 Antiferromagnetismo

3.3.17 Magnetos macios e duros

3.3.18 Propriedades ópticas dos materiais cerâmicos

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS


Segundo a intercomunicação dos

poros estão presentes porosidade

fechada e porosidade aparente ou aberta.

Determina outras propriedades, como

corrosão química e ao choque térmico.

Pode servir como parâmetro de

controle de qualidade na fabricação e no

produto final.

Depende do método da fabricação,

processo de moagem e seleção de frações

granulométricas.

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.1 POROSIDADE

A - Tipos de porosidades:



POROS FECHADOS (MEV)

Distribuição de porosidades em matriz vítrea

Distribuição de porosidades em

vidrado cerâmico

POROS ABERTO (MEV)

Distribuição de porosidades

abertas em porcelana

tradicional

A - Tipos de porosidades:


Condutividade térmica:

Considera-se a porosidade uma

segunda fase dispersa no material.

A condutividade térmica de um

isolante diminui com o aumento da

porosidade.

ar

c

ar

c

ar

c

ar

c

m

kk

kK

P

kk

kK

P

k

21

11

21

121

B - Influencia:

onde: Km -condutividade térmica média

Kc - condutividade térmica da fase contínua

Kp - condutividade térmica da fase porosa

P - fração de poros


Distribuição de

porosidades em

isolante térmico de

cinza de casca de

arroz. (A) Extrudado,

(B) Prensado.

A B

kTOTAL = kf +ke

kf = condutividade térmica devida aos fônons

ke = condutividade térmica devida aos elétrons

CERÂMICOS


Expansão térmica:

Depende da composição química,

quantidade de fases amorfas e

cristalinas, anisotropia, orientação de

grãos e formação de trincas.

Considera-se a dilatação dos

poros como se fossem formados

pelo material da matriz.

B - Não Influencia:


esmalte

engobe

suporte


Propriedades mecânicas:

Os poros fechados tem influência no módulo de elasticidade (E) e na resistência

mecânica à fratura (T).PbeEE .

0.

Pb

Te .

0.

onde: Eo - E do material sem poroso- do material sem poros,b - constante empírica (depende da geometria e distribuição dos tamanhos dos poros.

Relação de E com porosidade

E=E0(1-1,9P+0,9P2)

Efeito da porosidade em uma alumina

B - Influencia:



real aparente sólida

picnômetro Porosidade aparente Volume

(Princípio de Arquimedes) aparente do sólido

(geométrico)

- princípio de Arquimedes

- relação peso seco e úmido

C – Métodos para medição de porosidade:

D - Absorção de água:

ab

c


100*iu

suap

PP

PPP

Pu = Peso úmido

Ps = Peso seco

Pi = Peso imerso

Está ligada a

porosidade aberta

do material 100*

s

su

P

PPAA

Pu = Peso úmido

Ps = Peso seco

Pi = Peso imerso


real aparente geométrica

picnômetro Densidade aparente Relaciona massa e volume

(Princípio de Arquimedes) aparente do sólido

Métodos para medição da densidade:

ab

c

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.2 DENSIDADE

100*iu

suap

PP

PPd

Pu = Peso úmido

Ps = Peso seco

Pi = Peso imerso

real

realV

md

geométrica

geométricaV

md


3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.3 PERMEABILIDADE DOS GASES

Depende da quantidade de poros abertos.

Importante, por exemplo na produção de coque e gás combustível, onde os refratários

devem ser estanques para impedir a perda de gás através do revestimento.

Materiais permeáveis têm importância na distribuição uniforme das temperaturas nas

paredes do forno.

onde: K - permeabilidade,

- viscosidade do fluido

V - volume de gás

h - espessura do meio

d - diâmetro do cilindro onde o gás escoa

t - tempo em que o gás escoa

p - queda de pressão

tpd

Vhk

2

4


3.3.4 Capacidade térmica

3.3.5 Expansão térmica

3.3.6 Condutividade térmica


COMPORTAMENTO TÉRMICO


Propriedades térmicas resposta ou reação de um material à

aplicação do calor

Sólido absorve calor sua temperatura aumenta

sua energia interna aumenta

Dois principais tipos de energia térmica em um sólido:

energia vibracional dos átomos ao redor de suas

posições de equilíbrio

energia cinética dos elétrons livres


COMPORTAMENTO TÉRMICO

EM CERÂMICOS


Propriedade que indica a aptidão do material em absorver calor do meio externo

C = capacidade térmica (J/molK, cal/molK)

dQ = energia necessária para produzir uma mudança dT de temperatura

E é a energia interna H é a entalpia

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.2.4 CAPACIDADE TÉRMICA

dT

dQC

quantidade de energia necessária para aumentar a

temperatura de um corpo em uma unidade

Calor específico: capacidade térmica por unidade de massa.

Determinado mantendo-se o volume do material constante (Cv)

a pressão externa constante (Cp)

V

VdT

dEC

P

PdT

dHC

Energia interna x Entalpia: H = E + PV

CP > CV para os sólidos a entalpia e a energia interna são muito similares

Sólidos: assimilação de energia aumento da energia vibracional dos átomos


Capacidade térmica depende da temperatura?

Experimentos de Einstein e Debye:

O calor específico aumenta até uma certa temperatura

(temperatura de Debye =D) e após torna-se constante.

3R 6cal/molK

Não há correlação entre D e o PF dos materiais

Capacidade térmica depende pouco da estrutura e da microestrutura do

material

Porosidade influência prática

Cerâmica porosa exige uma menor quantidade de calor para

atingir uma determinada temperatura, que uma cerâmica

isenta de poros.

Variação da capacidade térmica com a

temperatura para vários materiais

cerâmicos policristalinos.



Drenagem térmica= (.Cp.K)0,5


T1-Tm

T2-Tm =

(2.Cp2.K2)0,5

(1.Cp1.K1)0,5


Sólidos aumento de dimensões durante o aquecimento e

contração no resfriamento, se não ocorrer transformações de

fases

L = lf - li

li (Tf-Ti)

li = comprimento iniciallf = comprimento finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final

Coeficiente de dilatação térmica volumétrica

V = Vf - Vi

Vi (Tf-Ti)

Vi = volume inicialVf = volume finalTi = temperatura inicialTf = temperatura final

MATERIAIS

ISOTRÓPICOS:

V3L

Coeficiente de dilatação térmica linear

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.5 EXPANSÃO TÉRMICA


Variação da expansão térmica com o

aumento da temperatura de alguns

materiais.

Variação da expansão térmica com o

aumento da temperatura para o

silício.



Correlação entre e a energia de ligação (EL)

Materiais com ligações químicas fortes apresentam

Ex.: cerâmicos e metais com elevado PF (Mo, W)

Correlação entre e o PF de alguns materiais

Muitos materiais cristalinos apresentam anisotropia quanto a dilatação térmica, como alumina, titânia, quartzo.Exemplo extremo: grafita é 27 vezes mais baixo no plano basal que na direção ╨ a ele

Dilatação térmica dos sólidos tem origem na variação assimétrica da EL ou FL com a distância interatômica.

Aquecimento: átomos aumentam a freqüência e

amplitude de vibração, e como Fr > Fa, a

distância média entre os átomos aumenta



Correlação entre e a energia de ligação (EL)

(a) EL x a: aumento na separação interatômica com o aumento da temperatura. Com o

aquecimento, a separação interatômica aumenta de r0 para r1, para r2. (b) Para uma curva

hipotética de EL x a: simetria.



3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.5 EXPANSÃO TÉRMICAMateriais refratários retraem ou expandem em presença de temperatura.

Influenciam a estabilidade volumétrica:- inversões cristalográficas;- reações físico-químicas;- sinterização.

Expansões geram tensões térmicas que podem causar deformações e ruptura do corpo.

O coeficiente de dilatação térmica indica a trabalhabilidade do produto em presença de temperatura.

Tijolo refratário

eletrofundido

ZrO2 com diferentes

estabilizadores



ZrO2

- transformação cristalográfica:

Monoclínica tetragonal - aumento de volume (~7%)

(Tambiente) (1000ºC) - modificação reversível

- ZrO2 + MgO, CaO ou outros:

formação de solução T acima de cúbica aumento

sólida junto com ZrO2 2350ºC irreversível de volume (~6%)

Matérias-primas:


• Materiais cerâmicos são maus condutores de calor• O valor de k dos cerâmicos é cerca de 1/5 da dos metais• Propriedade anisotrópica, principalmente para os prensados

• Condutividade térmica é a habilidade de um material para transferir calor.

onde:

q: fluxo de calor (W)

Q: calor transmitido (J)

t: tempo de transmissão de calor (s)

k: condutividade térmica (W/mK)

A: área perpendicular ao fluxo (m2)

T: temperatura (K)

x: comprimento na direção do fluxo (m)

xT

Qk x

Calor é transportado nos sólidos de

duas maneiras: por fônons e pela

movimentação de e- livres

Analogia: elétrons ou fônons livres

como partículas de um gás. A

condutividade térmica é diretamente

proporcional ao número de elétrons

livres ou de fônons (n); velocidade

média das partículas (v); ao calor

específico (cv) e à distância média entre

colisões (l):

k ∞ n . v . Cv . l

kTOTAL = kf +ke

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA

dx

dTkA

dT

dQq


kTOTAL = kf +ke

kf = condutividade térmica devida aos fônons

ke = condutividade térmica devida aos elétrons

Baixas temperaturas transmissão térmica por fônons condução (< 800°C)

Altas temperaturas transmissão térmica por fótons radiação (> 800°C)

Em cerâmicos:

ke << kf fônons são facilmente espalhados pelos defeitos cristalinos, o

transporte de calor é menos eficiente que nos metais

Alguns cristais não metálicos puros e de baixa densidade apresentam em algumas faixas de

temperatura k metais: Diamante melhor condutor que Ag de Tamb a 30K

Safira condutor térmico entre 90 a 25K

Compostos cerâmicos:

(BeO, SiC, B4C) pesos atômicos semelhantes k relativamente alto

(UO2, ThO2) pesos atômicos diferentes k cerca de 10x menor

(menor interferência na propagação quando átomos com semelhantes pesos atômicos)



- composição;

- condições de queima;

- quantidade e tipo de porosidade;

- quantidade e tipo de fases;

- forma e orientação de grãos;

onde:

k: condutividade térmica

v: volume da fase

Q: kc/kp

P: quantidade de poros

K=v1k1+v2k2+...

1/k=v1/k1+v2/k2+... k= 1+2P(1-Q/2Q+1)

ks 1-P(1-Q/2Q+1)

Efeito da microestrutura

Íons em solução sólida

diminuem acentuadamente k

Fases amorfas são piores

condutoras que cristalinas de

igual composição química

Poros diminuem a

condutividade térmica de

cerâmicos

kP = k 1-P

1 - 0,5P

Simplificadamente

kP = condutividade térmica do material com poros

P = fração volumétrica de poros



Efeito da microestrutura


AUMENTO DA T

-Aumento da fase

amorfa (vítrea);

-Aumento da

porosidade fechada;

-Dimunuição da

porosidade aberta;

INTRODUÇÃO DE OUTRAS MP

-Formação de novas fases;

-Formação de maior quantidade

de poros fechados,

950ºC 1000ºC

Argila vermelha (AV)

AV + Fundente + resíduo AV + Fundente + resíduo

Argila vermelha (AV)

CADA PRODUTO OBTIDO

APRESENTA DIFERENTE

CONDUTIVIDADE TÉRMICA



3.3.6 CONDUTIVIDADE TÉRMICA

AUMENTO DA T

-Aumento da fase

amorfa (vítrea);

-Aumento da

porosidade fechada;

-Dimunuição da

porosidade aberta;

INTRODUÇÃO DE OUTRAS MP

-Formação de novas fases;

-Formação de maior quantidade

de poros fechados,

CADA PRODUTO OBTIDO

APRESENTA DIFERENTE

CONDUTIVIDADE TÉRMICA


Diferenças de condutividade térmica com a

temperatura não são tão acentuadas quanto na

condutividade elétrica.

Materiais cerâmicos densos sem poros

k ↓ com ↑ T

Ex.: BeO, MgO e Al2O3

Explicação: k ∞ n . v . Cv . l

Outros cerâmicos como: ZrO2 estabilizada e

densa, sílica fundida e materiais refratários com

poros k ↓ com ↑ T

Explicação: k ∞ n . v . Cv . l

Efeito da temperatura

Efeito da temperatura na condutividade térmica

de vários materiais




Temperatura°C

Con

dutiv

idad

e té

rmic

a W

.mm

2 .K

-1




Exemplo de

curvas de

condutividade

térmica

1. Tijolo isolante sílico-aluminoso2. ZrO23.Chamotta5. Forsterita6. Cromita8. Magnésia-cromo9. Silicato de zircônio10. Al2O3 99%11.Carbono pirolítico12. SiC13. Magnésia14. SiC 6015. SiC 9016. Grafite17. Ferro metálico



• Materiais Refratários: são

materiais de construção que têm que

resistir a altas temperaturas e

manter suas propriedades

mecânicas, físicas e químicas nas

condições de serviço.

• Cerâmicos de Revestimento:

devido a saída e entrada na atmosfera terrestre: fibras de sílica.

Aplicações segundo comportamento térmico



3.3.7 Mecanismos de condução e bandas de energia

3.3.8 Condutividade elétrica dos materiais iônicos

3.3.9 Condutividade elétrica dos materiais covalentes

3.3.10 Semicondutores – condutividade eletrônica

3.3.11 Supercondutividade

3.3.12 Comportamento dielétrico


COMPORTAMENTO ELÉTRICO


Propriedades elétricas servem para distinguir os materiais:

- geral: metal / não-metal

- específico: supercondutor ou não

Compreender as propriedades elétricas

METAIS

TEORIA DE BANDAS CONDUTORES

SEMICONDUTORES

ISOLANTES

Classificação geral dos

materiais segundo

propriedades elétricas

CERÂMICOS

= 1/= n.q.

= condutividade elétrica (ohm-1.cm-1)

= resistividade elétrica (ohm.cm)

n= número de portadores de carga por cm3

q= carga carregada pelo portador (coulombs) [q do

elétron= 1,6x10-19 coulombs]

= mobilidade dos portadores de carga (cm2/V.s)


RESUMINDO

Metais: > 104 -1m-1

Semicondutores: 10-3 a 104 -1m-1

Isolantes: <10-3 -1m-1

CONDUTIVIDADE ELÉTRICA

n e dependem da temperatura

condutores podem ser: ânions

cátions

elétrons

holes

CERÂMICOS


LÍQUIDOS condutividade iônicaSÓLIDOS principais transportadores de calor são os elétrons

átomo isolado e- em níveis e subníveis de energiacristal níveis de energia se superpõe BANDAS

Origem das bandas de energia devido a aproximação dos átomos

A banda de energia corresponde à um nível de energia de um átomo isolado

- As bandas de energia nemsempre se sobrepõem

- As bandas de energia podem comportar no máximo dois elétrons

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.7 MECANISMOS DE CONDUÇÃO E BANDAS DE ENERGIA

Bandas de energia: banda de valência

banda proibida Eg: energia do gap

- É o espaço entre as bandas de energia

- É o que distingue um semicondutor de um condutor ou isolante

banda de condução


Tipos característicos de estruturas de bandas de energia em sólidos

Condutor metálico

Banda de condução

parcialmente ocupada

Condutor metálico

Superposição da banda de valência com a banda de condução vazia

Isolante Semicondutor

Metal

monovalenteMetal

bivalente

Apresentam banda proibida

Eg isolante > Eg semicondutor

Cerâmicos



SEMICONDUTORES

- banda de valência preenchida e banda de condução vazia

- largura da banda proibida é pequena e pode ser suplantada levando e- à

banda de condução ativação térmica

dopantes

- exemplos de largura de diamante - 6eV

banda proibida: SiC - 3eV

silício - 1,1eV

germânio - 0,7ev

InSb - 0,18eV

estanho cinzento - 0,08eV

Nível de fermi

BANDA

DE

CONDUÇÃO

BANDA

DE

VALÊNCIA

GAP DE ENERGIA


ISOLANTES

- polímeros

- cerâmicos

- banda proibida é muito larga e difícil de ser suplantada

CONDUTIVIDADE ELÉTRICA MUITO BAIXA

Nível de fermi

BANDA

DE

CONDUÇÃO

BANDA

DE

VALÊNCIA

GAP DE ENERGIA


EFEITO DA TEMPERATURA

- semicondutores

- isolantes T aumenta a

condutividade

elétrica

Efeito da condutividade

elétrica em materiais

cerâmicos

O aumento da temperatura fornece energia que liberta transportadores de cargas adicionais.

MgO



- resultado das contribuições eletrônica e iônica

- importância de cada contribuição pureza e temperatura

- modelo de bandas é válido, porém o n° de e- na banda de

condução é muito baixo portanto predomina a iônica

- difusão dos íons depende da presença de defeitos pontuais

- condutividade elétrica de sólidos iônicos temperatura

abruptamente na fusãoi = Ne2D/kT = (Ne2/kT) D0exp(-Q/kT)

N - n°de posições iônicas de um mesmo sinal por unidade de volumee - carga do elétronD - difusividadek - constante de BoltzmanT - temperatura em KQ - energia de ativação para a difusão

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.8 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA EM MATERIAIS IÔNICOS


GRAFITA: comportamento elétrico diferenciado

- plano basal (0001) de condutores metálicos

- na direção c (0001) é 10-5 vezes menor

- condução eletrônica origem na

mobilidade eletrônica da cada anel hexagonal de

átomos de C, ao longo de cada camada

- introdução de átomos estranhos entre as camadas

aumenta o número de transportadores de carga e a

condutividade elétrica

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.9 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA EM MATERIAIS COVALENTES


PROPRIEDADES: Tem resistividade entre metais e isolantes

10-6-10-4 .cm 1010-1020 .cm

- A resistividade diminui com o aumento de temperatura (ao contrário dos metais)

- A resistividade diminui com a adição de certas impurezas

- A resistividade aumenta com a presença de imperfeições nos cristais.

EXEMPLOS DE SEMICONDUTORES

- Silício, Germânio (Grupo IV da Tabela Periódica)

- GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela Periódica)

- PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Periódica)

Observe: 95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com Silício

65% dos dispositivos de semicondutores do grupo III-V são para uso militar

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.10 SEMICONDUTORES – CONDUTIVIDADE ELETRÔNICA


Num semicondutor, os elétrons podem ser excitados para a banda de condução por

energia elétrica, térmica ou óptica (fotocondução)

e- excitado banda de condução

buraco ou uma vacância na banda de valência contribui para a corrente

Dois tipos de condução

condução intrínseca semicondutor intrínseco

condução extrínseca semicondutor extrínseco

vai para

deixa

UTILIZAÇÃO: FABRICAÇÃO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E OPTOELETRÔNICOS- Transistor- LEDS- Células solares- Diodos-Circuito integrado



Condução resultante dos movimentos eletrônicos nos materiais puros

Um semicondutor pode ser tipo "p" ( condução devido aos buracos)

tipo "n" (condução devidos aos elétrons)

Este tipo de condução se origina devido a presença de uma imperfeição

eletrônica ou devido a presença de impurezas residuais.

CONDUÇÃO INTRÍNSECA (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO)

CONDUÇÃO INTRÍNSECA

Ex. Si e Ge são emicondutores intrínsecos

Estrutura cristalina: Cúbica do Diamante

Ligações fortes covalentes direcionais

Cada átomo de Si ou Ge contribui com 4e- valência devido a ligação sp3



Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante para proporcionar elétrons ou

buracos extras.

Os semicondutores extrínsecos podem ser:

Tipo p: com impurezas que proporcionam ou buracos extras

Tipo n: com impurezas que proporcionam ou buracos extras

Os processos utilizados para dopagem são: difusão

implantação iônica

Deve-se considerar:

Os elétrons tem maior mobilidade que os buracos

A presença de impurezas pode alterar o tamanho do gap de energia do semicondutor

CONDUÇÃO EXTRÍNSECA (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO)



SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO P

Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante buracos extras

Impurezas tipo "p" ou aceitadores proporcionam buracos extra

Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com Boro (valência 3)

BORO É UM DOPANTE TIPO P PARA

O SILÍCIO PORQUE PROPORCIONA

BURACOS EXTRANIVEL DE FERMI

Nível aceitador



SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO TIPO N

Quando adiciona-se intencionalmente uma impureza dopante

Impurezas tipo ”n" ou doadores proporcionam elétrons extra

Exemplo: Dopagem do Si (valência 4) com Fósforo (valência 5)

FÓSFORO É UM DOPANTE TIPO N

PARA O SILÍCIO PORQUE

PROPORCIONA ELÉTRONS EXTRANIVEL DE FERMI

Elétrons doadores



CONDUÇÃO EXTRÍNSECA (SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO)

Exemplos de materiais cerâmicos

semicondutoresextrínsecos tipo n, p e

anfóteros. Tipo n

TiO2 Nb2O5 CdS Cs2Se BaTiO3 Hg2S

V2O5 MnO2 CdSe BaO PbCrO4 ZnF2

U3O8 CdO SnO2 Ta2O5 Fe3O4

ZnO Ag2S Cs2S WO3

Tipo p

Ag2O CoO Cu2O SnS Bi2Te3 MoO2

Cr2O3 SnO Cu2S Sb2S3 Te Hg2O

MnO NiO Pr2O3 CuI Se

Anfótero

Al2O3 SiC PbTe Si Ti2S

Mn3O4 PbS UO2 Ge

Co3O4 PbSe IrO2 Sn



APLICAÇÃO

Dispositivos eletrônicos como transistores,

circuitos integrados, chips, usam a combinação

de semicondutores extrínsecos tipo “p” e tipo “n”

DIODO é um dispositivo que permite a

corrente fluir em um sentido e não em outro. É

construído juntando um semicondutor tipo “n” e

tipo “p”.

JUNÇÃO P-N

- Quando uma voltagem é aplicada como no

esquema (A), os dois tipos de cargas se

moverão em direção à junção onde se

recombinarão. A corrente elétrica irá fluir.

- No esquema (B), a voltagem causará o

movimento de cargas para longe da junção. A

corrente não irá fluir no dispositivo.

(A)

(B)



- ocorre quando a resistividade do material for nula

- temperatura crítica (Tc) resistividade torna-se bruscamente nula

- até 1986 melhores supercondutores Tc < 23 K material deveria ser resfriado em hélio líquido para tornar-se supercondutor

- mais tarde: supercondutores cerâmicos com Tc mais altas:

Y1Ba2Cu3O7-x Tc 100Knitrogênio líquido é suficiente para resfriar

- supercondutividade desaparece: acima da Tc

campo magnéticocorrente elétrica

PARÂMETROS QUE DEFINEM UM

SUPERCONDUTOR

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.11 SUPERCONDUTIVIDADE ELÉTRICA



Levitação magnética de supercondutores

Se um pequeno campo magnético atua próximo a um supercondutor este será repelido devido a

supercorrentes induzidas e poderá produzir imagens espelho em cada polo. Se um magneto

permanente for colocado embaixo de um supercondutor, este poderá levitardevido a força

repulsiva. A cerâmica mostrada na figura é um supercondutor de ytrio.


APLICAÇÕES

Levitação magnética: transporte de veículos, assim como trens através de flutuação sobre supercondutores magnéticos, eliminando: vibrações e fricção.

Ex.: SCM of the Yamanashi Maglev Test Line


O SCM (Supercondutor magnético) é o elemento chave do

supercondutor Maglev. Dois SMCs são montados sobre cada

módulo. Cada SMC consiste de 4 SC espiral. A unidade cilíndrica

é um tanque de nitrogênio e hélio liquefeitos. A unidade bottom é

o SC alternando a geração de polos S e N.

Tecnologia biomagnética: desenvolvimento de SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) usado em Magnetoencefalografia. Com esta tecnologia o corpo pode ser irradiado com certa profundidade sem a necessidade de associar campos magnéticos fortes.


- MATERIAL DIELÉTRICO: material isolante que apresenta em nível atômico ou molecular

regiões carregadas positivamente separadas de regiões carregadas negativamente

- RIGIDEZ DIELÉTRICA: tensão máxima que o material pode suportar antes de perder as

características de ser isolante para vidros, polímeros e cerâmicos 10 a 40 V/mm

Constante dielétrica:

Capacitor constituído de duas placas metálicas paralelas separadas por uma distância

"d" e de área "A".

capacitância medida da habilidade de armazenar uma carga elétrica.

adição de um dielétrico aumenta a capacitância

por um fator , proporcionalmente.

Propriedades Básicas dos Materiais Dielétricos

C = k A : constante dielétricad e: permeabilidade do

meio

Materiais cerâmicos são empregados como dielétricos em capacitores. Utiliza-se principalmente

o titanato de bário com outros aditivos (ex: BaTiO3 + baixo % CaTiO3 ou CaTiO3 + BaZrO3, apresenta

= 6500).

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.12 COMPORTAMENTO DIELÉTRICO


FERROELÉTRICOS

- não têm um centro de simetria formam um momento dipolar

- polarização permanente

- utilizados como transdutores eletro-mecânicos.

Ex: transdutor de

limpeza ultra-sônica,

transdutor de ondas

sonoras de baixo de

água.

Materias: BaTiO3,

PbZrO3, PbTiO3

Estrutura do BaTiO3. (a) Acima de 120ºC é cúbica. (b) Abaixo de 120ºC é levemente tetragonal,

apresentando um momento dipolar elétrico.



- materiais dielétricos onde a polarização pode ser induzida pela

aplicação de forças

Esquema dos dipolos elétricos em um material piezoelétrico.

(a) Material em condições normais. (b) Tensão compressiva causa uma ddp.

(c) A aplicação de uma voltagem causa uma diferença dimensional.

PIEZOELÉTRICOS



3.3.13 Diamagnetismo

3.3.14 Paramagnetismo

3.3.15 Ferrimagnetismo

3.3.16 Antiferromagnetismo

3.3.17 Magnetos macios e duros


COMPORTAMENTO MAGNÉTICO


Exemplos: ferritas, magnetitas

Vantagem deste tipo de material: armazenar muita informação em pouco espaço

Átomos podem ou não apresentar momento magnético

Propriedades magnéticas são determinadas pela estrutura: eletrônica, cristalina, microestrutura

Materiais tendem a diferir sua resposta quando em presença de um campo magnético

Efeitos magnéticos são originados em correntes elétricas muito pequenas associadas a elétrons em

órbitas atômicas ou a spins de elétrons

As propriedades magnéticas de um material podem ser medidas por diferentes parâmetros

Ex.: permeabilidade magnética relativa

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICASCOMPORTAMENTO MAGNÉTICO

r =

0

e r medem a facilidade com que um campo

magnético B pode ser introduzido em um material

sob a ação de um campo externo H

Ex.: suscetibilidade magnética relativa (m)

m = r - 1

Permeabilidade magnética relativa (r) de alguns materiais

DIFERENTES ESTRUTURAS

CRISTALINAS E MICROESTRUTURAS

GERAM DIFERENTES INTENSIDADES

DE MAGNETIZAÇÃO

Fe “puro” (0,1% impurezas) 0,5 . 103

Aço silício (4,25% Si) 1,5 . 103

Aço silício (3,25% Si) com grão orientados (textura) 2,0 . 103

Supermalloy (79%Ni; 16%Fe; 5%Mo) 1,0 . 104

Ferrita cerâmica (Mn, Zn)Fe2O4 1,5 . 103

Ferrita cerâmica (Ni, Zn)Fe2O4 0,3 . 103


-Comportamento diamagnético ocorre quando o átomo (sem um momento magnético) aceita um

alinhamento no campo magnético, sendo a magnitude muito pequena ede direção oposta ao do

campo aplicado

-Forma muito fraca de magnetismo: persiste enquanto um campo magnético externo for aplicado: ausência de campo externo momento magnético nulo-Todos materiais são diamagnéticos muito fracos: observa-se quando não há outro tipo demagnetismo. Ocorre na maioria dos átomos dos materiais cerâmicos-Susceptibilidade de materiais diamagnéticos(m): -10-6 a -10-5 (não varia com a T)

Configuração de dipolos de um material diamagnéticos. (a) na ausência de um campo externo. (b) na presença de um campo externo.

Al2O3 -1,81 . 10-5

Cobre -0,96 . 10-5

Ouro -3,44 . 10-5

Silício -0,41 . 10-5

NaCl -1,41 . 10-5

- Susceptibilidade magnética (m) de diamagnéticos é negativa

- Diamagnéticos não apresentam Tc

- Supercondutores tem comportamento diamagnético

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.13 DIAMAGNETISMO


- Átomos individuais possuem momentos magnéticos:orientações ao acaso magnetização nula para

um grupo de átomos

Dipolos podem

ser alinhados

na direção do

campo aplicado

Configuração de dipolos em

um material paramagnético:

a) na ausência de campo

externo; b) com campo

externo aplicado

- Paramagnetismo: forma muito fraca de magnetismo sem aplicação prática

- observado: metais (ex.: Cr, Mn), gases diatômicos (O2 e NO), íons de metais

de transição, terras raras, seus sais e óxidos.

- Susceptibilidade magnética: 10-5 a 10-3 (positiva e diminui com a temperatura)

m = K

TK= constante

T = temperatura

- Paramagnéticos não apresentam Tc

Representação

esquemática dos

momentos

magnéticos de um

material

paramagnético.

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.14 PARAMAGNETISMO


Configuração

dos momentos

magnéticos na

ferrita

Ferrimagnetismo ocorre em alguns materiais cerâmicos que apresentam forte magnetização

permanente ferritas (fórmula geral: MFe2O4, e M é um elemento metálico)

• Protótipo das ferritas: Fe3O4 = Fe++O- -(Fe+++)2(O- -)3

- Momentos

magnéticos dos 2

tipos de íons não se

cancelam totalmente e

o material apresenta

magnetismo

permanente

cátion Fe++ interstícios octaédricos (4)

cátion Fe+++ interstícios octaédricos (5)

cátion Fe+++ interstícios tetraédricos (5)

ânion O- - magneticamente neutro

MAGNETITA

- Temperatura crítica

- Susceptibilidade magnética (m)

diminui com o aumento da

temperatura (T)

m K

T±

K = constante

T = temperatura

é diferente de c

Ex: Fe, Ni, Mn, Co, Cu, e Mg

NiFe2O4, (Mn, Mg)Fe2O4

Estrutura cristalina típica da ferrita

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.15 FERRIMAGNETISMO


- Protótipo deste caso é o MnO material cerâmico, com caráter iônico e

estrutura cristalina CFC tipo NaCl

- momento magnético O- - é zero

- momento magnético M++ é permanente num arranjo

que forma momentos opostos ou antiparalelo

Diagrama esquemático mostrando a

configuração de momentos magnéticos no MnO- O material como todo não apresenta momento magnético

- Alguns compostos de metais de transição apresentam este comportamento: MnO, CoO,

NiO, Cr2O3, MnS, MnSe e CuCl2

- Temperatura crítica temperatura de Néel (n)

- Susceptibilidade magnética (m) da ordem dos

materiais paramagnéticos e diminui com o aumento

da temperatura (T)

m C

T±

C = constante

T = temperatura

é diferente de n

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.16 ANTIFERROMAGNETISMO


Dependência da temperatura na susceptibilidade magnética (a) paramagnético, (b) ferromagnético

(mostrando a transição para paramagnético), (c) antiferromagnético (mostrando a transição para

paramagnético).

a b c

(cerâmicos)

(cerâmicos)(cerâmicos)

(metais)

(metais)


RESUMINDO


CURVA DE MAGNETIZAÇÃO

OU DE HISTERESE

Indução residual (Br) - indução

magnética conservada no corpo

magnetizado, depois de anulada

a intensidade do campo. (Gauss)

Força coercitiva (Hc)- intensidade

de campo aplicado para

desmagnetizar. (Oersted)

1 - Curva histerética

2 - Curva original

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.17 MAGNETOS MACIOS E DUROS

CURVA HISTERÉTICA PARA LIGAS MAGÉTICAS

DURAS E MACIAS

MAGNÉTICOS MACIOS MAGNÉTICOS DUROS

- Ligas magnéticas

macias fácil de

magnetizar e

desmagnetizar

- Ligas magnéticas

duras permanece

magnético ou é um

magneto permanente


MATERIAL MAGNETO MOLE: Apresentam Hc de baixo valor e pequenas perdas de histerese e

baixo Br. A área do ciclo de histerese e a perda de energia por ciclo são pequenas. Opera na

presença de um campo magnético.

- São ligas organizadas.

- São empregadas como ligas a serem submetidas à magnetização alternada (núcleos de

transformadores) Ex.: geradores, motores elétricos e transformadores (para estas aplicações é

necessário materiais magnéticos moles, de baixa remanência, como: Fe puro, aço ao silício,

supermalloy e ferritas cúbicas do tipo espinélio).

EFEITO DA TEMPERATURA:

As características de um ferromagnético (material

magnético mole) variam com a T

T energia térmica mobilidade das paredes

de Bloch dos domínios

magnéticosParedes de Bloch: fronteira entre domínios vizinhos, região de transição, espessura

100 nm, onde a direção de magnetização muda gradualmente, é um defeito bidimensional

MAGNETIZAÇÃO E DESMAGNETIZAÇÃO: São facilitadas: T > C

comportamento ferromagnético desaparece

Efeitos da T (a) ciclo de histerese, (b)

magnetização de saturação.



é magnetizado durante a fabricação e deve reter o magnetismo

após a retirada do campo magnético.

Se caracterizam pelo grande valor de Hc e alto Br

Importante: resistência a desmagnetização (área BH é

maximizada)

Apresenta um ciclo de histerese grande.

São ligas endurecidas com estruturas

desequilibradas, dispersas

São utilizadas na fabricação de imãs permanentes

Aplicações: refrigeradores e fones de ouvido,

utilizando- se: ferritas cerâmicas, SmCo5, Sm2Co17 e

NdFeB

Magnetos duros são constituídos de ferromagnéticos,

e algumas ferritas hexagonais

MATERIAL MAGNETO DURO:

Aumento da eficiência (energia

magnética máxima) dos

magnetos permanentes no

século XX.



3.3.18 Propriedades ópticas dos materiais cerâmicos


COMPORTAMENTO ÓTICO


Propriedades óticas resposta ou reação de um material à incidência deradiação eletromagnética, e em particular a luz visível

Luz fenômeno ondulatórioevidência: ocorrência de difração

Trabalho experimental a luz é uma ondaeletromagnética

Einstein feixe de luz consiste em pequenospacotes de energia

quanta de luz: FÓTON

Fóton incidindo na superfície de um metaltransfere energia para o elétron,que pode escapar do material

Radiação eletromagnéticamecânica clássica ondasmecânica quântica fótons

Formas de radiação eletromagnética: luz, calor, ondas de radar, ondas de rádio e raios X

Espectro de radiações eletromagnéticas




Todos os corpos emitem radiação eletrromagnética movimento térmico de átomos e

moléculas

radiação térmica visível depende de T

Ex.: 300°C radiação infravermelha

800°C radiação visível

Luz visível espectro de radiações pequeno 0,4m l 0,7m CORES

Radiação eletromagnética atravessa o vácuo com a

velocidade da luzc = velocidade da luz 3x108 m/s

0 = permissividade elétrica no vácuo

0 = permeabilidade magnética no vácuo

c = 1

(00)½

0,40 a 0,45 µm – violeta

0,45 a 0,50 µm – azul

0,50 a 0,55 µm – verde

0,55 a 0,60 µm – amarelo

0,60 a 0,65 µm – laranja

0,65 a 0,70 µm – vermelho Feixe de luz incide no sólido com intensidade I0parte é transmitida Itparte é absorvida Ia relacionadas por:

parte é refletida Ir

I0 = It + Ia + Ir (em W/m2)

ou

T + A + R = 1T = transmitância (It/I0)

A = absorbância (Ia/I0)

R = refletância (Ir/I0)

Se: T >> A+R: materiais transparentes

T << A+R: materiais opacos

T pequeno: materiais translúcidos




Cerâmicos não apresentam e- livres (que absorvem fótons de luz) e podem ser transparentes à

luz visível

Fenômenos importantes: Refração, Transmissão, Reflexão e Absorção

REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO (R)

Velocidade de propagação da luz no sólido transparente () é menor que no ar

feixe de luz muda de direção na interface ar/sólido

Índice de refração: = permissividade elétrica do material

= permeabilidade magnética do materialn = c = ()½

(00)½

Índice de refração de alguns materiais cerâmicosMaterial Índice de refração

Vidro de sílica 1,458

Vidro pyrex 1,47

Vidro óptico “flint” 1,65

Al2O3 – α 1,76

MgO (periclásio) 1,74

Quartzo 1,55

R

Quanto maior n do

material, maior R

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.3 PROPRIEDADES FÍSICAS3.3.18 PROPRIEDADES ÓPTICAS DOS MATERIAIS CERÂMICOS


REFRAÇÃO (n) E REFLEXÃO (R)

Cerâmicos cristalinos Cúbicos e vidros índices de

refração isotrópicos

Cristais não cúbicos índices de refração

maior em direções mais densas

Luz passa de um meio n1 para outro n2

parte da luz é refletida na interface dos meios

Como o n depende de λ da luz incidente, R também depende de λ

Se um dos meios for o ar n1 = 1R = n2 - n1 ½

n2+n1R = n2 - 1 ½

n2+1

Variação das frações da luz

incidente que são

transmitida, absorvida e

refletida por um determinado

vidro em função do

comprimento de onda



ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T) Maioria dos materiais transparentes são coloridos

a cor dos materiais transparentes é uma combinação dos comprimentos transmitidos

Absorção de fótons por e- da banda devalência promovendo-os à banda de conduçãoem não-metais também é possível, desde que ose-- superem a banda proibida.

Energia associada com l (E = hc/l)

determina-se l e E máximos e mínimos cedidos

aos e- pela luz visível

lmin = 0,4 m Emax = 3,1eV

lmax = 0,7m Emin= 1,8eV

Comprimentos de onda absorvidos (nm) e cores complementares

Conclusão: i) a luz pode ser absorvida por materiais com banda proibida

menor que 1,8 eV (SEMICONDUTORES) estes materiais são

opacos ex.:Si, Ge, AsGa

ii) materiais com banda proibida entre 1,8 e 3,1 eV absorvem

apenas alguns comprimentos de ondas estes materiais são

coloridos ex.:GaP, CdS

iii) a luz visível não pode ser absorvida por este mecanismo em

materiais com banda proibida maior que 3,1 eV



ABSORÇÃO(A) E TRANSMISSÃO (T)

Impurezas podem contribuir para que alguns comprimentos de onda sejam absorvidos

Ex.: safira e rubi

Safira: cristal puro de Al2O3, isolante,

transparente

Rubi: safira onde uma pequena quantidade

de íons Cr+3 substitui o Al+3, causa

absorção na região de luz azul do espectro

visível. Cristal resultante: vermelho

Cor dos vidros de sílica, cal, soda e chumbo pode sermodificada pela adição de óxidos de elementos detransição

Ex.: adição de 0,01 a 0,03% de CoO - coloração azuladaadição de 0,2% de NiO - coloração púrpuraadição de 1,0% de FeO - amarelo esverdeada

Cor pode ser resultado do desvio da estequiometriaou da presença de defeitos cristalinos

Ex.: cristais puros de NaCl, KBr e KCl são incolores seforem recozidos em atmosfera de metais alcalinos ouirradiados com raios X ou neutrônscoloração: NaCl amarelo

KBr azulKCl magenta

Criou-se defeitos:

centro de cor



ABSORÇÃO (A) E TRANSMISSÃO (T)

R, A e T dependem do material, do caminho ótico, l incidente

Defeitos no material espalham a luz e podem torná-lo

transparente, translúcido ou opaco

Ex.: monocristal de safira (Al2O3) transparente

policristal de safira sem poros translúcido

policristal de safira com 5% poros opaco

Variação da transmitância com l incidente para diversos materiais.

Exemplo: lâmpada de sódio (1000oC) com tubo de alumina

(100 lúmens/W convencional 15 lúmens/W)

Alumina convencional (opaca) Alumina translúcida

porosidade: 3% porosidade: 0,3



3.4.1 Biomaterial

3.4.2 Dentária

3.4.3 Função nuclear

3.4.4 Função química

3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS


DEFINIÇÃO

qualquer substância ou combinação de substâncias, de

origem natural ou sintética, usadas como parte ou como todo de

sistemas do corpo humano

material deve ser biocompatível - ser inerte e inócuo e

apresentar respostas controláveis e assimiláveis

biomaterias devem também resistir à força da gravide e

transmitir forças resultantes da ação muscular

3.4 PROPRIEDADES QUÍMICAS3. PROPRIEDADES E ESTRUTURA

3.4.1 BIOMATERIAL


ALUMINA SINTERIZADA

sistema femoral utilizava-se ligas de Ti-Al-V

avanço na pesquisa de materias, começou-se a utilizar

Al2O3 de alta pureza e poli-cristalino:

material duro

resiste ao desgaste

apresenta baixa tensão de fricção na junta.

resistência à fratura por apresentar baixa

tenacidade

características de fadiga são pobres.

Então o sistema femoral, é uma liga metálica atada a uma bola de cerâmica


3.4.1 BIOMATERIAL


Revestimentos de

hidroxapatita


3.4.1 BIOMATERIAL


CARBONO

excelente compatibilidade com tecidos e fluidos do

organismo humano

alta durabilidade, sendo utilizado na confecção de válvulas

cardíacas

encontrando aplicação na ortopedia.

FOSFATO TRICÁLCICO

propriedade de penetração dos tecidos nas superfícies

porosas

material absorvível pelo

muito utilizado na regeneração óssea, como em defeitos de

vértebras


3.4.1 BIOMATERIAL


1. Introdução

2. Propriedades do dente natural

3. Materiais de uso odontológico

4. Porcelana

5. Hidroxiapatita

6. Alumina

7. Novos materiais


3.4.2 APLICAÇÕES DENTÁRIAS


HISTORICAMENTE

Utilização de dentes de animais e marfim para a manufatura de dentes e prótese dentárias;

Evolução utilização de dentes de pessoas mortas como próteses.

Soluções provisórias ocorria a desintegração em pouco

espaço de tempo e uso

Em 1776/1789 mencionou-se a utilização de dentes cerâmicos como substitutos

origem do estudo de materiais biocerâmicos.

Indústria cerâmica iniciou-se em 1827

Denstista Stockton (Philadelphia) fabricou o 1° dente cerâmico eficaz

Meio do século IXX outras fábricas surgiram na Inglaterra e EUA, monopolizando este

mercado

motivou-se e estabeleceu-se o melhoramento da cor e ancoragem

Mais tarde maiores desenvolvimentos no desenvolvimento de luminescencia,

opacidade e condições de queima para obtenção do dednte cerâmico.

1. Introdução




UTILIZAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS puros ou como revestimentos

Visa-se otimizar a osseointegração

Principais fatores responsáveis pela obtenção da osseointegração:

- técnica cirúrgica;

- carga transferida aos implantes:

- qualidade do tecido receptor;

- biocompatibilidade do material de implante e o projeto do implante.

dependem do implante selecionado, que deve possuir propriedades

mecânicas e propriedades de superfície adequadas

Propriedades mecânicas dependem do material, e não de sua forma, e incluem:

- dureza;

- resistência à tração;

- resistência à compressão;

- resistência à fadiga;

- módulo de elasticidade.

propriedades que devem ser observadas

na elaboração do projeto do implante.

1. Introdução




Otimização da osseointegração:

Propriedades de superfície significam propriedades físicas e químicas:

- composição química;

- grau de contaminação;

- energia de superfície;

- resistência à corrosão;

- rugosidade;

- tendência a desnaturar proteínas.

Superfícies rugosas aumento da resistência mecânica da interface implante-osso, pois

aumenta a área da superfície do implante, favorecendo o aumento

na área de contato entre osso e o implante

Aumento do percentual de contato ósseo ao redor dos implantes atua diminuindo a tensão

transmitida ao tecido ósseo, na interface com o implante.

alterações nas propriedades de superfície

dos implantes afetam significativamente a

performance in vivo.

1. Introdução




Dentes apresentam estruturas em camadas: esmalte, dentina e raiz.

- Esmalte: - fornece dureza e resistência a tensão

- camada translúcida e pouco opaca

- fornece a superfície de corte

- nesta camada defini-se a cor do

dente, conforme a luz incidente

- degradado por trincas

- Cada reposição de dente depende de cada paciente

devido as condições de acordo: cor, forma, etc.

2. Propriedades natural do dente

ESMALTE

DENTINA

RAIZ




Materiais cerâmicos utilizados como material odontológico:

- porcelana iniciou-se à cerca de 200 anos e vem sendo aperfeiçoada

existem diferentes tipos e composições

- hidroxiapatita material bioativo, pode ser usado como revestimento de um metal

- alumina apresenta propriedades de interesse: resistência mecânica, ao

desgaste abrasivo, cor...

- zircônia apresenta propriedades de interesse: resistência mecânica, ao

desgaste abrasivo, cor...

- diferentes misturas de materiais cerâmicos visando a otimização das propriedades

3. Materiais de uso odontológico




Porcelana dentária - nome dado devido a aparência final da matéria-prima utilizada para

o desenvolvimento de próteses dentárias

- devido a composição poderia ser denominado “dente feldspático”

- a composição básica de uma porcelana dentária apresenta:

feldspato, quartzo e caolim

A porcelana dentária é utilizada a cerca de dois séculos e as alterações na sua composição

foram realizadas tentando diminuir o ponto de fusão.

Vantagens translucidez, cor, textura, resistência ao manchamento e à abrasão,

radiopacidade, isolamento térmico e biocompatibilidade.

Desvantagens - friabilidade (nas margens) dando preferência ao uso do ouro

- cimentos: eram fosfatados e interferiam na coloração e estética da

porcelana.

Década de 30 início das restaurações laminadas de porcelana

lâminas de cerâmica eram fixadas provisoriamente aos

dentes através de um pó adesivo para dentaduras

3. Porcelana dentária




Até os anos 60 - coroas ocas de porcelana eram a solução estética mais aceita

- coroas metalo-cerâmicas tornaram-se populares: melhor

adaptação, menos problemas de fraturas, utilização em destes

posteriores e próteses fixas, porém a estética era menos satisfatória

Década de 80 - desenvolvimento de técnicas adesivas e aprimoramento da

porcelana

- utilização da porcelana como material odontológico com maior

sucesso clínico

Atualmente - introdução de diferentes tipos de porcelana no mercado, alternativas as

aluminíticas e feldspáticas convencionais

- busca-se acentuar a performance estética sem sacrificar a expectativa de

vida

3. Porcelana dentária




Utilizam-se apenas feldspatos de alta qualidade

- livres de outros minerais,

- sem impurezas, principalmente Fe2O3 (causador de bolhas em contato com nitrogênio),

- sem muita liberdade de redox, pois isto facilita a troca de íons, pode formar bolhas e

instabilizar o intervalo de temperatura de queima utilizado.

Feldspato com grande intervalo de sinterização utilizado na manufatura de dentes devem ter alto

teor de potássio e baixo de soda.

3. Porcelana dentária3.1 Matérias-primas básicas e suas propriedades3.1.1 Feldspato

Componente SiO2 Al2O3 K2O Na2O Fe2O3 CaO MgO

% 67,2 18,5 13,5 2,4 0,02 0,27 0,24

Composição típica de um feldspato para uso odontológico (dente).




Quartzo utilizado em porcelana dentária também deve ser de elevada pureza (99,7% SiO2 e

menos que 0,015% Fe2O3).

Quartzo é dissolvido na fase vítrea do feldspato (porcelana) durante a queima, aumentando a

viscosidade da mistura prevenindo distorção

Durante a queima apenas uma pequena quantidade de quartzo é dissolvido e o quartzo restante

influencia na resistência do produto PROBLEMA: quartzo tem baixa resistência ao

choque térmico

RESOLUÇÃO: pré-fusão dos silicatos antes

da mistura na porcelana

A dissolução do quartzo na fase vítrea do feldspato depende da história da formação:

- estrutura cristalina(evitar quartzo de areia)

- distribuição no tamanho de grão

- adições com facilidade de dissolução

O quartzo residual causa a opacidade característica necessária ao dente: COMPROMISSO

DISSOLUÇÃO COMPLETA DO QUARTZO E QUANTIDADE DE QUARTZO RESIDUAL.

3. Porcelana dentária3.1 Matérias-primas básicas e suas propriedades3.1.2 Quartzo




Caolim é adicionado a porcelana dentária como agente opacificador

Opacidade depende do tamanho de grão do agente opacificante

adiciona-se caolim de alta qualidade e fineza e com poucos óxidos

descolorantes

Pré-queima do caolim com outros componentes para formar

- mulita primária pré-calcinação melhor que o quartzo

- mulita secundária em relação a resistência e

expansão térmica, pois

diferem menos em relação a

fase vítrea

Mulita formada e não dissolvida causa opacidade

Opacidade é aumentada pela diferença dos índices de refração da fase vítrea e mulita

3. Porcelana dentária3.1 Matérias-primas básicas e suas propriedades3.1.3 Caolim




Composição de cerâmica dentária no sistema triaxial: fedspato – quartzo – argila

3. Porcelana dentária3.2 Composição de corpos dentários

Composição típica em óxidos de

dentes de porcelana comerciais

Óxidos (%) Dente A Dente B Dente C

SiO2 59,60 61,40 70,70

TiO2 0,10 0,05 0,06

Al2O3 23,60 22,90 16,80

Fe2O3 0,08 0,16 0,13

MgO 0,16 0,08 0,08

CaO 0,56 0,64 0,14

Na2O 7,40 8,10 7,70

K2O 5,70 4,40 2,30




Adições subsidiárias podem ser feitas para modificar propriedades

- Al2O3 calcinada diminuir o brilho superficial do vidro de feldspato

proporcionar resistência elevada

abaixo da Tqueima serve como agente opacificante

- Mulita fundida agente opacificante abaixo de 10%

apresenta maior pureza que a adição de caolim

Adições de agentes opacificantes para ajustar a aparência natural à prótese dentária

- SnO2, ZrO2, CeO2, TiO2 e ZrSiO4 agentes opacificantes abaixo de 5%

- O grau de opacidade é dependente do tamanho de grão dos óxidos adicionados.

- As partículas opacificantes são formadas na fase vítrea pela recristalização durante o

resfriamento.

Pode-se ainda adicionar fibras inorgânicas para aumentar as propriedades mecânicas

3. Porcelana dentária3.2 Composição de corpos dentários




Produção: aglutinação do pó da porcelana a um líquido ou água e esculpir em camadas

sobre um troquel refratário, lâmina de platina ou sobre o metal de uma

metalocerâmica e então,elevada a altas temperaturas.

Tipos:

1. PORCELANAS FELDSPÁTICAS: - constituem-se de 75% a 85% de feldspato, 12% a 22% de

quartzo e 3% a 4% de caolin

- empregadas na confecção de metalo-cerâmicas, facetas,

coroas puras e incrustações.

- usadas isoladamente para confeccionar peças ou em

associação com outros sistemas, onde a porcelana

feldspática recobre uma porcelana aluminizada (In Ceram)

ou um Vitrocerâmico (Dicor), que lhe confere maior

resistência à fratura, funcionando como uma subestrutura.

- utilizada como recobrimento, pois apresenta excelentes

características de translucidez e cor semelhante ao dente

natural

3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.1 Porcelanas sinterizadas




2.. PORCELANAS FELDSPÁTICAS REFORÇADAS POR LEUCITA

- São mais resistentes que a porcelana feldspática convencional;

- Exemplo: OPTEC HSP que contém 40% do volume de cristais de leucita;

- Utiliza-se em porcelanas de corpo e incisal, pois a opacidade dada pelos cristais de

leucita não necessita do uso da porcelana opaca;

- São indicadas para facetas laminadas e coroas submetidas a baixas tensões;


Porcelana feldspática rica em leucita Porcelana feldspática com pouca leucita




3. PORCELANAS ALUMINIZADAS

- Compõem-se de 40% a 50% de cristais de óxido de alumínio incorporados às

porcelanas tradicionais, propriedades de interesse:

- alta elasticidade e resistência à estrutura.

- redução da translucidez da porcelana aluminizada,

limitando o uso apenas como base para a aplicação da

porcelana feldspática.

- Desvantagem: a sinterização das partículas pode resultar em microporosidades e

heterogeneidade entre as partículas, podendo formar fendas.

3. PORCELANAS ALUMINIZADAS INFILTRADAS COM VIDRO

- Técnica criada para melhorar os problemas de fragilidade associados à porcelana.

- Nome do sistema: In-Ceram é constituído por uma subestrutura (semelhante ao copping

da metalo-cerâmica) usando-se um pó cerâmico de óxido de alumínio extremamente fino.

existem 2 estágios: - 1º estrutura sintética alumina porosa é criada usando-se

um troquel refratário.

- 2º a estrutura porosa é infiltrada por vidro de lantânio,

boro e água destilada.





3. PORCELANAS ALUMINIZADAS INFILTRADAS COM VIDRO

- Copping: 70% de óxido de alumínio puro sobre este aplica-se cerâmica

feldspática para dar a estética final.

- Propriedades do In-Ceram: maior resistência flexural, ótima adaptação e grau de

translucidez ideal, indicação em coroas unitárias (anteriores e posteriores), incrustações,

coroas sobre implantes e próteses fixas de até 3 elementos.

- Variações do In-Ceram:

IN-CERAM SPINELL possui o dobro de translucidez do In-Ceram ALUMINA,

sendo mais estético. Neste sistema, substituiu-se uma parte do óxido de

alumínio por óxido de magnésio. Possui uma resistência flexural um pouco

menor que o In-Ceram.

IN-CERAM ZIRCÔNIA pode ser confeccionado como o In-Ceram convencional

ou, experimentalmente, através da trituração de blocos pré-formados de

zircônio. Pode ser indicado para coroas unitárias posteriores, próteses fixas de

3 elementos anteriores e posteriores e próteses sobre implantes devido ao alto

conteúdo de óxido de zircônio e alumínio.





1. Sistemas DICOR e DICOR PLUS

- Cerâmicos vítreos reforçados por mica.

- Utiliza-se um processo de fundição centrífuga, o Vitrocerâmico conserva sua estrutura

amorfa e depois a restauração é envolta em um revestimento especial que produz o

crescimento de cristais, convertendo a fundição para o estado cristalino, o qual aumenta

a resistência (semelhante à técnica da cera perdida). Após, é realizada a pintura

extrínseca e o glazeamento com porcelanas vítreas fluidas.

- Características: resistência final semelhante à porcelana aluminizada.

mastigação pode remover a pintura extrínseca, alterando

as características estéticas

indicado para confecção de facetas, incrustações e coroas

ocas.

- DICOR PLUS: composto por uma infra-estrutura fundida ceraminizada e uma cobertura

feldspática colorida, para tentar diminuir a alta translucidez.

3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.2 Porcelanas injetadas ou de vidro fundido




2. Sistema CERAPEARL

- A fase cristalina principal é a hidroxiapatita

Problema: a hidroxiapatita é muito branca em relação aos dentes

naturais, então aplica-se glazes coloridos

- Em toda cerâmica vítrea fundida, o processo cerâmico não aumenta apenas a

resistência, mas também resulta em contração adicional, provocando porosidade e falta

de homogeneização.

3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.2 Porcelanas injetadas ou de vidro fundido




Neste tipo de processo visa-se diminuir as heterogeneidades e microporosidades e a contração

durante o processamento cerâmico

1. Sistema IPS EMPRESS e IPS EMPRESS II

- Sistema IPS EMPRESS utiliza pastilhas de porcelana feldspática reforçada por leucita pré

ceraminizada na cor desejada, fundidas em alta temperatura sob pressão hidrostática a vácuo

para dentro do revestimento.

- O emprego do calor e pressão têm a finalidade de aumentar a resistência.

- Limitação da técnica: confeccionar restaurações monocromáticas.

- IPS EMPRESS é indicado para coroas totais e facetas laminadas.

- IPS EMPRESS II consiste em uma cerâmica vítrea de di-silicato de lítio com uma

resistência três vezes maior que o IPS EMPRESS convencional, sendo indicado para

próteses fixas de 3 elementos.

3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.3 Porcelanas injetadas em alta pressão e calor




2. Sistema OPTEC OPC

- O sistema OPTEC OPC (OPTEC cerâmica prensada) contém um aumento na quantidade

de cristais de leucita comparado ao OPTEC HSP.

3. Sistema CERESTONE

- O sistema CERESTONE consiste na combinação de óxido de alumínio com óxido de

magnésio.

3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.3 Porcelanas injetadas em alta pressão e calor




1. Sistema CEREC, CEREC 2 e CELAY

- São sistemas computadorizados acoplados a aparelhos que realizam o desgaste de um

bloco cerâmico ou de vidro pré-prensado.

- CEREC: peças são obtidas a partir de impressão óptica do preparo na boca através de

micro-câmeras.

- CELAY: micro sensor leitor de superfície de padrões de resina confeccionam a peça

diretamente na boca ou sobre o modelo.

- Vantagem destes sistemas: confecção e restauração em sessão única,sem moldagem.

- Desvantagens: alto custo do equipamento, escultura e cor.

3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.3 Porcelanas tipo CAD/CAM




2. Sistema PROCERA ALL CERAM

- O sistema PROCERA produz um copping de alumina de alta pureza (99%)

proporcionando à restauração uma alta resistência.

- A peça protética é fabricada a partir de um desenho assistido por um computador e um

processo de usinagem

- A aplicação da cerâmica pode ser executada através do sistema convencional em

qualquer laboratório.

- Características: excelente estética, resistência e durabilidade.

3. Porcelana dentária3.3 Tipos de porcelanas dentárias e características3.3.3 Porcelanas tipo CAD/CAM




Utilizada como superfícies e/ou revestimentos bioativos (estimula a formação de novo osso).

Superfícies bioativas alteração cínética após a implantação

forma-se uma camada de hidroxicarbonato de apatita

que é química e estruturalmente equivalente à fase

mineral do osso

Biointegração união bioquímica entre a superfície do implante e o osso,

independente de qualquer mecanismo de união mecãnica

Diferentes respostas do tecido ósseo a implantes de titânio puro (CP) e a implantes

revestidos com hidroxiapatita

Pesquisa: cinco implantes com superfície de titânio puro

cinco implantes de titânio puro revestidos com hidroxiapatita

análise da interface implante-osso revelou que os implantes revestidos com

hidroxiapatita apresentaram um percentual de contato implante-osso

(74,16%) quase duas vezes maior do que aqueles observados ao redor dos

implantes de titânio (cerca de 40%).

5. Hidroxiapatita




Vantagens da hidroxiapatita: bioativa e biointegrável (um aumento da formação de

osso ao redor dos implantes em curtos períodos de

tempo e a formação de um osso de melhor qualidade

união bioquímica do osso com o revestimento da

superfície dos implantes:

instalação de implantes dentários, em pacientes

portadores de osteoporose, apresenta um possível

efeito benéfico devido à transmissão de cargas ao osso,

da mandíbula ou da maxila, interrompendo o processo

de atrofia óssea decorrente da perda do dente.

5. Hidroxiapatita




Utilizada em cerâmicas dentais desde os anos 60 objetivo: maximizar a quantidade

de alumina

técnicas de laboratório

convencionais só conseguiam

aumentar o conteúdo de alumina

até um determinado nível.

Continuar a aumentar a quantidade de alumina desenvolvimento de novos

métodos de produção

Em 1994 utilizando-se tecnologia CAD/CAM desenvolveu-se um material com alumina

densamente sinterizada por completo, formado por mais de 99,5% de alumina

resistência do material é superior à de outros materiais hoje disponíveis no

mercado (resistência à flexão biaxial de 687 MPa)

6. Alumina




Óxido de alumínio pré-

sinterizado produz uma

cerâmica com porosidade

contínua (azul). Exemplo:

In-Ceram® pré-estágio.

Óxido de alumínio com

infiltração de vidro

Um pó de vidro com tratamento

térmico preenche os poros

(vermelho) do óxido de alumínio

pré-sinterizado (infiltração de

vidro), Exemplo: In-Ceram®.

Óxido de alumínio

densamente sinterizado

A sinterização prolongada

cria um óxido de alumínio

não poroso e densamente

sinterizado. Trata-se de

um material altamente

resistente. Exemplo:

Procera® AIICeram.

6. Alumina

Resistência à flexão de diferentes

materiais dentários totalmente

cerâmicos.




7. Novos materiais7.1 Cerâmicos com ou sem metal

METAL - CERÂMICOS

Pó de Vitrocerâmico é aplicado sobre uma armação metálica (liga dentária). Propriedades

importantes deste cerâmico:

- coeficiente de expansão térmica compatível com o metal;

- opacidade na cor para cobrir o metal.

SEM METAL

Produção de restaurações altamente estéticas com um fino recobrimento cerâmico;

Processo: um vitrocerâmico no estado viscoelástico é prensado em um molde refratário a

900ºC.

Utiliza-se para fabricação de coroas, pontes

OUTRAS TECNOLOGIAS:

Produtos como: - diferentes matizes naturais de dentes;

- aplicações de cores, vidros e refratários na moldagem quente;




7. Novos materiais

7.2 Vitrocerâmico prensado sobre metal Vitrocerâmico é prensado sobre uma armação metálica à quente

Vantagens de dois materiais em um único produto:

- alta resistência;

- estética superior;

- retração zero no processo de produção;

- menos trabalho manual.

7.3 Vitrocerâmicos em substituição a feldspatos cerâmicos Por muito tempo a porcelana dentária foi utilizada com ligas metálicas, problema: .

O início do desuso metal-cerâmico foi com a patente US em 1962.

Uso de feldspatos cerâmicos permitiu a produção de cerâmicas dentárias com compatível a

ligas metálicas, tendo sua resistência melhorada com cristais de leucita.




7. Novos materiais7.3 Vitrocerâmicos em substituição a feldspatos cerâmicos Hoje vitrocerâmicos têm substituído feldspatos cerâmicos tradicionais

Vidros são fundidos a partir de materiais de alta pureza e são então transformados em

vitrocerâmicos por um processo de controle da nucleação e cristalização, fazendo-se um

ajuste preciso em .

Vantagens dos vitrocerâmicos:

- elevada translucidez (60% da fase vítrea contribui para isto);

- brilho

MEV de dente

vitrocerâmico

Aparência

próxima a

natural de uma

ponte de

vitrocerâmico




um nêutron incide em um átomo (como o urânio), causa sua

explosão ou fissão. O produto da reação é constituído de dois átomos

diferentes, dois a três nêutrons e muita energia.

aplicação nuclear os isótopos do 235U do e 239Pu, são

utilizados como combustível nuclear, sendo que seus óxidos ou

carbonetos, são sinterizados na forma de pastilhas.

óxido de urânio apresenta a estrutura do fluoreto de cálcio

grande número de posições intersticiais octaédricas

desocupadas do UO2, permitem que este material seja

utilizado como combustível nuclear, já que os produtos

da fissão possam ser acomodados nessas posições

vazias.


3.4.3 FUNÇÃO NUCLEAR


Pigmentos: TiO, Cr2O3, Fe2O3

Esmaltes: Óxidos alcalinos, sílica, feldspatos.

Carga: Calcário, sílica.

Fundentes: Óxidos alcalinos, CaO

Caulim: indústria do papel

Vidros: SiO2, Na2O, PbO, Al2O3


3.4.4 FUNÇÃO QUÍMICA

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